ESP10B 一种用于噪声敏感器件的静音开关电源

　　您是否曾遇到过ADC输出出现轻微变化和随机变化的意外情况?这可能是由ADC系统内的噪声引起的。一个常见的噪声源是压控振荡器(VCO)的供电轨。该供电轨上的噪声会给时钟信号带来抖动，然后用作ADC的采样时钟。如果抖动较大，可能会导致转换误差和来自ADC的意外数据。

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　　开关模式电源(SMPS)因电压转换所需的开关而具有固有噪声。如果SMPS用于时钟的供电轨，它会给ADC系统带来噪声。为了将误差降至最低，具有噪声抑制能力的LDO调节器通常用于为噪声敏感器件供电。

　　ADI公司的LTM8080降压调节器SMPS等技术将后置调节双通道LDO调节器与噪声抑制技术相集成。这种SMPS器件可以提供类似于独立的LT3045 LDO稳压器的干净供电轨。

　　图一。VCO/ADC设置的基本框图。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　为什么供电轨噪声如此重要?

　　供电轨噪声是影响系统性能的一个重要因素。在图1中，LT3045 LDO调节器用作清洁供电轨，为ADF4372频率合成器的VCO供电。然后，ADF4372为AD9208 ADC和FPGA板产生时钟信号。图2显示了从LT3045 LDO调节器的输出获得的相位噪声图，用作比较替代供电轨解决方案的参考。

　　图二。基线LT3045的相位噪声图(1 GHz，2 MHz跨度)。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　如果采用高噪声供电轨而非基线设计，图3展示了一个次优噪声频谱图示例，边带略微升高。当这些边带达到一定水平时，它们会在ADC采样时钟的上升沿引入抖动(图4)。因此，ADC在意外的时间点对模拟输入信号进行采样，导致意外的数据字出现位错误。

　　图3。高噪声SMPS的相位噪声图示例(1.23 GHz，2 MHz跨度)。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　位错误的发生会产生明显的后果，特别是如果它们很严重的话。来自ADC的实际数据字与预期数据字之间的偏差可能会触发系统中的意外行为。例如，如果数据字指示的输入电压高于实际电压，则可能会在系统准备就绪之前过早激活器件。在安全关键应用中，这种意外状态可能会禁用安全功能。

　　图4。高噪声VCO供电轨至ADC采样时钟边沿抖动(VCO输出)至ADC采样误差。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　特别是随着EMI噪声屏蔽技术的出现，现在可以将SMPS放置在LDO调节器附近，而不会将开关噪声耦合到LDO调节器的输出。如果将SMPS和LDO调节器封装在一起，除了降低噪声之外，还可以获得其他好处(表1)。

　　表1。SMPS + LDO调节器优于独立的LDO调节器

　　结构特点SMPS + LDO调节器LDO调节器

　　输入电源灵活性宽输入范围(3.5 V至40 V)

　　标准输入电压轨窄输入范围

　　独特的输入电压轨

　　PCB布局简单对噪声敏感的布线是器件内部的，只需要基本的PCB布线技术

　　该设备可以放置在其他噪声敏感设备附近需要特定的布线来最大限度地降低噪声

　　需要更先进的PCB布线技术

　　节省PCB空间从12 V/24 V电源轨到LDO调节器输出电压的直接电压转换

　　不需要不常见的中间总线电压可能需要额外的调节器将12 V/24 V供电轨转换为特定的中间总线电压

　　设计简单该设计已经过全面测试和优化

　　用户可以即插即用需要更多前期设计/测试来最大限度地降低噪音

　　潜在的系统效率改进寄生损耗更少

　　优化的LDO调节器余量

　　降压调节器部分可以直接给附加的外部LDO调节器供电

　　将开关降压转换器(SMPS)与LDO调节器相结合的器件有几个优点。它可以采用12 V或24 V等标准供电轨供电，提供灵活的输入电源。此外，可以设计一个中间总线来维持高于LDO调节器输出的特定电压，即使设备由更高的电压供电。这种电压输入输出控制(VIOC)功能通过控制上游SMPS的输出，确保LDO调节器有一个设定的裕量。VIOC对于在保持电源抑制比的同时最大化效率至关重要(PSRR)。

　　SMPS加LDO调节器器件可在其内部电路中实现对噪声敏感的路由。因此，PCB级的基本布线技术足以优化器件的噪声性能。

　　此外，该器件还受益于完全集成的EMI噪声屏蔽。电磁干扰噪声屏蔽使板载SMPS的噪声辐射无法向各个方向辐射，而是将辐射的噪声辐射从LDO调节器转移开。这种技术允许将开关调节器放置在LDO调节器附近，而不会影响其噪声抑制能力。因此，完全集成的设备可以放置在以前由于噪声问题而被认为不适合SMPS的区域。

　　如果该设备的SMPS部分可以提供比LDO调节器的额定值更大的电流，则多个LDO调节器可以集成到该封装中。此外，外部LDO调节器可以连接到中间总线，为用户的设计提供更大的灵活性。

　　为了确保符合器件数据手册中提到的规格，制造商对完全集成的SMPS加LDO调节器器件进行了全面测试。这保证了器件满足规定的要求。

　　像LDO调节器一样安静的开关降压转换器

　　与基线LDO稳压器解决方案相比，LTM8080提供了更大的输入电源电压灵活性，同时最大限度地降低了功耗。图5显示了使用LTM8080的示例解决方案，并展示了其设计灵活性。LTM8080与封装在一起的降压调节器和LDO调节器一起，集成了一个EMI噪声屏蔽，可重定向辐射噪声。

　　图5。LTM8080解决方案取代了ADF4372SD2Z评估板上的两个LT3045 LDO调节器，并允许用户自定义第三个LDO调节器输出，以提高系统灵活性。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　比较LTM8080和LT3045的噪声抑制能力时，测量结果几乎相同。表2提供了SNR对比，图6显示了相位噪声图。因此，LTM8080可用作LT3045的替代产品，同时仍能最大限度地减少误码并确保有效的噪声抑制。

　　图6。LTM8080(左)与LT3045(右)的相位噪声图。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　表二。SNR比较:LTM8080与LT3045

　　ADF4372: 5 V PLL时钟电源信噪比:AD9208

　　LT3045(基线)53.6 dBFS

　　LTM808053.6 dBFS

　　试验结果

　　测试结果清楚地表明，配备先进噪声抑制技术(如EMI噪声屏蔽)的SMPS器件可以有效地取代LDO调节器，为噪声敏感型供电轨供电。虽然概念验证的重点是VCO供电轨，但集成式SMPS加LDO稳压器解决方案提供的设计灵活性也能让许多其他产品受益噪声敏感应用.